Aula 21 Conversão Sigma-Delta

Aula 21
Conversão Sigma-Delta
Introdução
O desempenho do DSP (processamento digital de sinais) e sistemas
digitais em geral são limitados pela precisão do sinal digital de entrada
que é alcançada pela interface analógica digital. A técnica de conversão
A/D Sigma-Delta (Σ-∆) é uma forte alternativa que tem sido utilizada em
processadores integrados digitais.
Embora o modulador Sigma-Delta tenha sido introduzido em 1962,
só agora com o surgimento das tecnologias VLSI ele tem ganhado
importância. O aumento do uso de técnicas digitais tem também
contribuído para o uso efetivo de conversores A/D de alta precisão.
Uma imposição das interfaces analógico-to-digital é a
compatibilidade com a tecnologia VLSI, a fim de oferecer uma
integração monolítica de ambas as seções analógica e digital em um
mesmo chip. Desde que o conversor Σ-∆ A/D são baseados em técnicas
de filtragem digitais, quase que 90% deste é constituído de circuitos
digitais o que garante a compatibilidade.
Conversores convencionais, como os já estudados, tais como flash
e aproximação sucessiva, operam na freqüência de Nyquist (cerca de
duas vezes a máxima freqüência do sinal de entrada). Os circuitos de
entrada (S/H) requerem o uso de filtro anti-aliasing complexos de alta
ordem para limitar a máxima freqüência do sinal de entrada. Por outro
lado, conversores Σ-∆ A/D usam um conversor A/D de baixa resolução
(em geral 1-bit), noise shaping (formatação de ruído), e uma alta razão
de amostragem (em geral 64 vezes a freqüência de Nyquist). Como será
visto, a alta resolução será alcançada pelo processo de decimação
(redução da taxa de amostragem) e filtragem digitais. Além disso, como
nesse conversor não existe a necessidade de “laser trimming” ou
casamento de componentes para se alcançar alta resolução, o conversor
Σ-∆ A/D são muito adequados para implementação monolítica em
sistemas digitais complexos que incorporam ambas as funções digitais e
analógicas.
Para entendermos a técnica de conversão Σ-∆ é necessários que
abordemos algum tópicos, tais como erro de quantização, oversampling,
e decimação em detalhes.
Erro de quantização na conversão A/D
Como já vimos, um conversor A/D transforma um sinal x(t) em um
sinal digital discreto no tempo, x*(t), onde cada amostra é expressa com
uma precisão finita. Cada amostra é aproximada por um código digital,
isto é, x(t) é transformado em uma seqüência de precisão finita, ou
amostras x(n) quantizadas. A figura A.21.1 ilustra esse processo.
Então, o processo de conversão de um sinal analógico (que tem por
definição uma resolução infinita) em número de um sistema de precisão
finita introduz um erro no sinal que depende como o sinal está sendo
aproximado.
Quando um sinal é amostrado para obter a seqüência x(n), cada
valor é codificado usando uma palavra de N-bits incluindo o bit de sinal.
Como já vimos esse erro é expresso por:
Figura A.21.1 Processo de conversão A/D generalizado.
q=
1
2N −1
(A.21.1)
que é chamado tamanho do step de quantização. O valor da entrada
amostrada x*(t) é então arredondado para o nível mais próximo, como
mostrada na figura A.21.2. Ou seja, podemos escrever a entrada
amostrada como a soma do sinal amostrado real mais uma componente
de erro, e(n), de quantização, ou seja,
x(n) = x * (t ) + e(n)
(A.21.2)
Figura A.21.2 Erro de quantização.
Para um sinal de entrada que é grande quando comparado com um
step, o erro e(n) pode ser considerado como uma quantidade randômica
(ruído) no intervalo (q/2, -q/2) com igual probabilidade. Então a potência
do ruído (gerado pela quantização), σ2e, pode ser achado como:
1 q/ 2 2
q2 2−2N
σe = E[e (n)] = ∫−q/ 2 e de= =
q
12 3
2
2
(A.21.3)
onde E denota esperança estatística.
O valor de σ2e estão representa a potência de ruído de quantização
de entrada. Desde que a potência de ruído é distribuída igualmente sobre
toda intervalo da freqüência, o nível da densidade de potencia espectral
de ruído pode ser expresso por:
q2
2 −2 N
N( f ) =
=
12 f s 3 f s
(A.21.4)
onde fs é a freqüência de amostragem.
A figura A.21.3 mostra o espectro do ruído de quantização.
Figura A.21.3 Densidade espectral do ruído devido ao processo de
quantização. fN é a freqüência de Nyquist.
Oversampling e Decimação
O processo de quantização em um conversor A/D na taxa de
Nyquist é geralmente diferente de um conversor que usa oversampling
(sobreamostragem) que é chamada assim por amostra o sinal numa taxa
bem maior que a taxa de Nyquist. Enquanto um conversor A/D Nyquist
realiza a conversão num simples intervalo de amostragem para a
precisão cheia, um conversor oversampling geralmente usa uma
seqüência com menor resolução de dados quantizados numa razão de
oversampling de Fs = kfs seguidos por um processo de decimação no
domínio digital para computar um valor mais preciso (maior resolução)
do sinal de entrada numa menor taxa de amostragem, fs.
O processo de sobreamostragem (oversampling) produz um
benefício imediato no filtro anti-aliasing da entrada dos conversores
A/D. Para ilustra isso, considere uma aplicação típica de áudio digital
utilizando um amostragem Nyquist e uma sobreamostragem de 2X.
Os dados amostrados nos conversores na taxa Nyquist são feitos
numa razão de no mínimo duas vezes a mais alta freqüência de interesse.
Por exemplo, uma amostragem de 48 kHz permite que sinais de até 24
kHz podem ser adquiridos sem aliasing (superposição de espectro), mais
devido as limitações de circuito práticos, a maior freqüência não passa
de 22 kHz. Também, o filtro anti-aliasing nos conversor Nyquist
requerem uma resposta plana sem nenhuma distorção de fase em toda
banda de interesse (20k kHz em aplicações de áudio digital). Para evitar
distorções devido ao efeito aliasing, todo sinal acima de 24 kHz para
uma razão de 48 kHz deve ser atenuado de pelo menos 96 dB para uma
resolução de 96/6 = 16 bits.
Estas restrições são alcançadas com o filtro passa baixa como
mostrado na figura A.21.4 a). A figura A.21.4 b) mostra o espetro de
freqüência no domínio digital amostrado em 48 kHz.
Figura A.21.4 Comparação entre uma amostragem Nyquist e uma
sobreamostragem 2X.
Agora considere o mesmo sinal de áudio amostrado em 2fs, 96
kHz. O filtro anti-aliasing precisa somente eliminar sinais acima de 74
kHz com banda passante de 22 kHz. Isso é muito mais fácil construir
porque a banda de transição agora é 52 kHz (22 k a 74 kHz). Entretanto,
já que a taxa de amostragem final é 48 kHz, um filtro de redução de taxa
é necessário, este é chamado comumente de filtro de decimação. A
figura A.21.4 d) e figura A.21.4 e) ilustra o filtro anti-aliasing analógico
necessário e a resposta em freqüência na domínio digital. O espectro do
filtro de decimação necessário é mostrado na figura A.21.4 f).
Esta estrutura de sobreamostragem de 2X pode ser estendida para
conversores de N vezes sobreamostragem. A figura A.21.5 a) mostra a
resposta em freqüência de filtro anti-aliasing para N vezes
sobreamostragem. O espectro do ruído de quantização total e o ruído na
banda base (fB) é mostrado na figura A.21.5 b). Desde que é assumido
um quantizador ideal, a potência do ruído total para o conversor
sobreamostrado e o conversor de Nyquist é a mesma. Portanto, a porção
desse ruído na banda de interesse, NB é dada por:
fB q2
N B = ∫− f ( f )df = 2 •
FS 12
fB
B
(A.21.5)
que é muito menor (especialmente quando FS >>fB) que a potência de
ruído num conversor Nyquist descrito na equação (A.21.4)
Figura A.21.5 Reposta do filtro anti-aliasing e espectro do ruído nos
conversores A/D sobreamostrados.
A figura A.21.6 compara as especificações dos filtros anti-aliasing
dos conversor A/D Nyquist e sobreamostrados. Como pode ser
observado, amostragens na taxa de Nyquist impõe o uso de filtro antialiasing com uma estreita banda de transição.
A banda de transição dos filtro anti-aliasing de conversores A/D
sobreamostrados, por outro lado, é muito maior que a sua banda
passante, porque a proteção contra superposição de espectro é
necessárias apenas nas freqüências
NFS – fB
e
NFS + fB
onde N = 1, 2,3..., como mostrada na figura A.21.6 b). E como a
complexidade do filtro é uma forte função da razão entre as banda de
transição e a banda de passagem, os conversores sobreamostrados
requerem um filtro anti-aliasing consideravelmente mais simples.
Por exemplo, com um sobreamaostragem (k) igual a 64, um
simples filtro passa baixas RC na entrada é freqüentemente suficiente.
Exercício:
Qual
deve
ser
o
mínimo
fator
de
sombreamostragem (k) para digitalizar um sinal com uma
banda de 20 kHz e faixa dinâmica de 80 dB, como um filtro
anti-aliasing de 2°° ordem? Quanto bits é necessário para
conversão?
Figura A.21.6 Resposta em freqüência de filtro anti-aliasing analógico.
O benefício da sobreamostragem é mais que um simples processo
de simplificação do filtro anti-aliasing. O processo de decimação
necessário nessa técnica pode ser utilizado para aumentar a resolução.
Para ver como isso é possível conceitualmente, vamos nos reportar a
figura A.21.7, que mostra um exemplo de processo de decimação 16:1
com amostra de 1 bit de entrada. Embora a resolução do dado de entrada
é somente 1 bit ( 0 ou 1), o método de média (decimação) produz mais
resolução (4 bits ⇒ 24 = 16) embora reduzindo a taxa de amostragem por
16:1. É claro, o preço pago é alta taxa de amostragem na entrada 
velocidade trocada por precisão.
Figura A.16.7 Um simples processo de decimação.
Modulação Delta
Antes de analisarmos o conversor Sigma-Delta vamos considerar,
inicialmente a estrutura modulação/demodulação para um processo de
conversão A/D. A figura A.16.8 mostra um diagrama em bloco de
modulador Delta e um demodulador. A modulação delta é baseada na
quantização da variação (mudança) do sinal entre amostras do que sobre
o valor absoluto do sinal de cada amostra. (daí, o nome delta).
Desde que a saída do integrador na malha de realimentação tenta
prever a entrada x(t), funciona como um previsor. O termo de erro do
previsão, x(t ) − x(t ) , na previsão corrente é quantizado e usado para
fazer a próxima previsão. O erro da previsão quantizado (saída do
modulador delta) é integrado e realimentado na malha de realimentação.
Figura A.21.8 Modulação e Demodulação Delta.
A saída do sinal do demodulador é filtrada (suavizada) pelo um
integrador e um filtro passa baixas. De maneira que na sua saída
tenhamos uma réplica do sinal de entrada.
Na teoria, o espectro do ruído de quantização do previsor de erro é
plano e o nível de ruído é definido pelo comparador de 1 bit. Note que o
processo de decimação pode aumentar a razão sinal ruído.
Modulação Sigma-Delta e “Shaping” ruído
A modulação delta necessita de dois integradores para o processo
de modulação e demodulação como mostrado na figura A.21.9. Desde
que a operação integração é uma operação linear, o segundo integrador
pode ser movido para antes do modulador sem que a característica geral
entre a entrada e a saída seja alterada. Além disso, os dois integradores
na figura A.21.9 b) podem ser combinados em um simples integrador
pela propriedade da operação linear. Como resultado, temos uma nova
estrutura para o modulador mostrada na figura A.21.10, chamado de
Modulador Sigma-Delta. Esta estrutura, além de ser mais simples, pode
ser considerada com versão “suavizada” do modulador delta de 1 bit.
Figura A.21.9 Derivação da modulação Sigma-Delta da Modulação
Delta.
Figura A.21.10 Diagrama em bloco da modulação Sigma-Delta.
O nome modulador Sigma-Delta vem do fato de colocarmos o
integrador (sigma) na frente do modulador delta. Diferente do modulador
delta a característica de ruído de quantização do modulador Σ-∆ é
dependente da freqüência. Como será discutido adiante, estaa
propriedade do modulador Σ-∆ de modificar ou formatar (Shaping) a
densidade de ruído de quantização é extremamente adequada para o
processamento digital do sinal.